Responses of nitrogen transformation processes and N2O emissions in biological nitrogen removal system to short-term ZnO nanoparticle stress  

生物脫氮系統中氮轉化過程和N2O排放對短期ZnO納米顆粒脅迫的響應  

來源：Science of the Total Environment, Volume 705, 2020, Article 135916  

《總體環境科學》第705卷，2020年，文章編號135916  

 

摘要

摘要指出，盡管ZnO納米顆粒（ZnO NPs）對生物脫氮（BNR）過程的不利影響已被廣泛報道，但ZnO NPs對整個氮轉化過程，尤其是BNR系統中溫室氣體N2O產生的影響尚未被系統研究。本研究在序批式反應器（SBR）中短期暴露于1、25或50 mg/L ZnO NPs一個周期，同時監測了硝化和反硝化過程性能及N2O排放。結果表明，ZnO NPs對反硝化過程、總氮（TN）去除效率和N2O排放產生劑量依賴性抑制效應，但對硝化過程無顯著影響。N2O排放與好氧階段亞硝酸鹽（NO2-N）積累呈正相關。進一步研究顯示，硝酸鹽還原相關基因narG表達下調，nirK/nosZ和norB/nosZ轉錄比率降低。ZnO NPs釋放的Zn2+在抑制反硝化過程中起重要作用。ZnO NPs還誘導超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性劑量依賴性變化，可能通過抑制過量活性氧（ROS）生成來減輕納米毒性。當ZnO NPs濃度低于25 mg/L時，緊密結合胞外聚合物（TB-EPS）中蛋白質（PN）的過量分泌進一步支持了系統對納米毒性的潛在自我調節機制。  

 

研究目的

系統評估短期ZnO NPs脅迫對生物脫氮系統中氮轉化過程（特別是N2O排放）的影響，并探討其機制，包括功能基因表達、抗氧化酶活性、ROS生成和EPS變化。  

 

研究思路  

1. 設置SBR反應器，短期暴露于不同濃度ZnO NPs（0、1、25、50 mg/L）一個周期。  

2. 監測氮轉化性能：NH4-N、NO2-N、NO3-N、TN去除效率和N2O排放。  

3. 分析功能基因表達：使用RT-qPCR測量amoA、hao、nxrA（硝化基因）和narG、nirS、nirK、norB、nosZ（反硝化基因）的轉錄水平。  

4. 評估Zn2+釋放影響：測量ZnO NPs釋放的Zn2+濃度，并測試其對氮轉化和N2O排放的影響。  

5. 測定氧化應激指標：ROS生成、乳酸脫氫酶（LDH）釋放、SOD和CAT活性。  

6. 分析EPS組成：測量S-EPS、LB-EPS和TB-EPS中的多糖（PS）和蛋白質（PN）含量。  

7. 整合數據，揭示ZnO NPs脅迫下的響應機制和系統自我調節能力。  

 

測量的數據及研究意義

1. 氮轉化效率數據：NH4-N、NO2-N、NO3-N濃度變化和TN去除效率（來自圖1和表1）。研究意義：顯示ZnO NPs對反硝化的劑量依賴性抑制，證實TN去除效率降低與NO2-N積累相關。  

 

 

2. N2O排放數據：氣體N2O排放通量（來自圖1D）。研究意義：表明ZnO NPs降低N2O排放，且與NO2-N積累正相關，揭示NPs對反硝化途徑的影響。  

3. 功能基因表達數據：amoA、hao、nxrA、narG、nirS、nirK、norB、nosZ的轉錄水平（來自圖2B）。研究意義：narG下調解釋NO3-N積累，nirK/nosZ和norB/nosZ比率降低說明N2O還原增強，從分子機制解釋N2O排放減少。  

 

4. Zn2+釋放數據：ZnO NPs釋放的Zn2+濃度及其對氮轉化和N2O的影響（來自圖3）。研究意義：證明Zn2+是ZnO NPs毒性的主要來源，直接導致反硝化抑制和N2O減排。  

 

5. 氧化應激數據：ROS生成、LDH釋放、SOD和CAT活性（來自圖4）。研究意義：ROS增加表明氧化應激，SOD和CAT活性增強顯示系統抗氧化響應，有助于減輕納米毒性。  

 

6. EPS組成數據：S-EPS、LB-EPS、TB-EPS中的PS和PN含量（來自圖5）。研究意義：TB-EPS中PN增加提供物理屏障和營養，增強系統對NPs的抵抗能力。  

 

結論

1. ZnO NPs對反硝化過程產生劑量依賴性抑制，降低TN去除效率和N2O排放，但對硝化過程影響不顯著。  

2. N2O排放減少與NO2-N積累正相關，且由于narG基因下調和nirK/nosZ、norB/nosZ轉錄比率降低，導致N2O還原增強。  

3. ZnO NPs釋放的Zn2+是毒性的主要來源，誘導ROS生成，但系統通過增強SOD和CAT活性以及增加TB-EPS中PN分泌來自我調節，減輕納米毒性。  

4. 系統具有潛在自我調節機制，包括抗氧化酶活性和EPS變化，以應對ZnO NPs脅迫。  

 

使用丹麥Unisense電極的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量的N2O排放數據（圖1D）提供了高精度、實時的氣體N2O通量信息，研究意義包括：  

? 精準量化N2O排放：電極直接測量氣體N2O濃度，避免了溶解相N2O的低估（溶解N2O僅占總量≤0.5%），確保數據準確性。  

 

? 揭示劑量依賴性效應：數據顯示1 mg/L ZnO NPs對N2O排放無顯著影響，而25和50 mg/L NPs分別降低排放10.7%和32.1%，直接證明NPs的抑制效應。  

 

? 關聯過程機制：N2O排放峰值出現在好氧階段，與NO2-N積累同步（圖1B和1D），支持N2O主要來自硝化菌反硝化或羥胺氧化途徑，而非反硝化過程。  

 

? 支持基因表達結論：N2O排放減少與nosZ基因表達相對增強（nirK/nosZ和norB/nosZ比率降低）一致，驗證了分子水平上的N2O還原機制。  

 

? 環境應用價值：實時監測數據有助于評估ZnO NPs在污水處理中的風險，為控制溫室氣體排放提供實踐指導。  

 

總之，Unisense電極數據是關鍵證據，將N2O排放動態與微生物過程和基因表達聯系起來，全面揭示了ZnO NPs對BNR系統的影響。